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青藏铁路建设中工程问题与处理方法-----碎块石调温路基

    自然条件或是路基填料,粗颗粒土(如砂砾石、碎石、块石等)的导热系数都大于细颗粒土(如粉质土、粉质粘土、粘土等),大约是达1.3~2倍。所以,多年冻土区的粗颗粒土的冻结、融化深度也大于细颗粒土。
    根据地基土的导热特性,改变多年冻土区的路堤结构,使路基土颗粒的单一导热传热方式改变为导热和对流传热的混合方式,充分利用青藏高原多年冻土区的强盛的负积温远大于正积温的特点,使大气从路堤面和坡面传入到路基的热量,不只是通过土颗粒接触导热,还要通过人为制造路堤介质空隙中的空气传导和对流,达到降低路基基底温度,从而变  路基下多年冻土的温度场,保持多年冻土上限稳定,且上升的目的。这就是碎块石调温路基结构设计的出发点。
    实际上,在没有多年冻土的地区,天然条件的碎石堆中已经发现了冻土的存在。据报道, 在东西伯利亚的维柳伊河谷朝北的山坡上, 碎石堆下的年平均地温比年平均气温低1~2℃, 比周围多年冻土中的地温低5~6℃. 在北天山苔藓云杉林下的粗碎屑沉积中也发现了多年冻土. 该处的海拔高度为1800 m, 年平均气温3~4℃. 在瑞士的侏罗山、 中国的东天山、 日本的北海道山, 甚至在夏威夷群岛的死火山口, 均在年平均气温为正值处的粗碎屑沉积中发现了多年冻土。有人在加拿大阿尔伯特西南的高原山, 对气温和地温进行了两年的观测. 结果表明, 块石堆中的年平均地温较之相邻的矿物土低4~7℃. 这和在中国昆仑山垭口的两年观测结果一致, 昆仑山垭口块石堆中的年平均地温与相邻细粒土中的最大差值达7.1℃. 两种情况下, 都是块石堆下有多年冻土, 而相邻的土中无多年冻土. 在昆仑山垭口的情况下, 块石层的厚度仅为15 cm. 比较两地观测结果, 似乎薄层块石覆盖与厚层块石覆盖对地温的影响是类似的.
   碎块石对于多年冻土的保护作用,气候学家Balch曾在1900年提出过一种机理, 称Balch效应, 可用来解释碎石堆降低地温的机理: 冷空气的密度比热空气大, 所以, 冬季冷空气通过碎石间的大孔隙进入碎石堆, 将孔隙中密度较小的热空气向上挤出, 形成对流, 换热强度加大; 夏季, 热空气在上, 冷空气在下, 层结比较稳定, 对流作用不明显, 主要靠传导作用换热, 由于空气的导热系数极小, 仅为0.025 W/mK, 所以换热强度很小. 年平衡的结果是散热大于吸热, 从而使碎石堆中的地温下降.
   碎石堆中有利于冻土生成和保存机制启示我们, 在修筑路基时, 可利用Balch效应来保护冻土

    碎块石调温路基是由道渣、路基主体和碎块石组成(图1、2)。目前青藏铁路建筑中,在地面以上0.3m抛填碎块石,粒径为20~40cm,厚度0.8~1.2m。碎块石表面由30cm的砾石和砂组合的过渡层,避免上部路基土渗入碎块石层,堵塞孔隙,影响效果。
    碎块石路堤的孔隙率通常可达40%以上,空气可在孔隙中自由流动或受迫流动。暖季,太阳的辐射热通过路堤表面(坡面)以导热的方式将热量往路堤中和基底传递,使路堤中碎块石空隙的空气加热,因热空气的密度小而沿空隙上升,其热流方向与传热方向相反,在夜间这种逆向传热就更加活跃,碎块石空隙的存在就起到热屏蔽作用,相应地减少了传入路堤基底的热量,使碎块石中仍能维持较低的温度。在寒季,由于碎块石层的当量导热系数是暖季当量导热系数的5~10倍,甚至更多。据中铁西北科学研究院在风火山试验路基研究结果,碎块石层冬季的有效导热系数是夏季的12.2倍。因此,密度大的冷空气,不但冷却路堤表面(坡面),还可沿空隙下渗,通过对流换热不断地置换空隙中热空气,此时的导热换热与对流换热的热流方向一致,使较多的冷量传入地基中,加速路堤和基底热量散逸,增大了基底的冷储量。所以,碎块石路基的综合效果达到冷量输入大于热量输入。说明碎块石路堤在气温波动条件下具有热二极管效应,即自然对流降温效应。
   从青藏高原的热水、风火山的试验路堤及俄罗斯西伯利亚贝-阿铁路的运营情况看,采用大块碎石材料作路基填料,都可以充分地利用冬季冷空气比暖季热空气比重大和对流特点,使碎块石孔隙中保持着较多的冷空气,维持地基多年冻土上限的热平衡,以至冷却和冻结地基。风火山试验路堤观测结果表明,暖季和寒季碎块石层及基底的地温比相同深度天然地层的地温分别低0.43和7.2℃。最大季节融化深度要浅1~37%。俄罗斯的斯科沃罗丁诺冻土试验结果,在相同条件下,基底的年平均地温比天然地层低2.9℃。青海省热水煤矿,多年冻土的年平均地温为-0.5,属于高温极不稳定的高含冰量多年冻土,路堤堤高2.5m,中部填1.85m的碎块石,1971年夏季施工,1974年地温观测结果,路基基底(即2.5m处)的年平均地温为-3.7℃。这些实例证明碎块石路堤具有良好的降低基底地温的效果。
   同理,抛石护坡(图3)也具有相同的原理,可以起到降低路堤地温的效果。青藏铁路地处海拔4000m以上,阴阳坡的太阳辐射强度具有较明显的差异。青藏公路实践证明,路堤阳坡吸热量大于阴坡,造成路堤阴阳坡的多年冻土上限埋置深度不同,阳坡沉降大于阴坡,导致路堤倾斜,产生纵向裂缝。可以根据上述的原理,采用抛石护坡来调控路堤阴阳坡温差,保持路基下冻土地基的温度场处于较为平整的平面。
   目前青藏铁路多年冻土区段采用最多的路基结构形式是本文所介绍的碎块石调温路基,从研究结果看,基本可以达到了设计目的。

 
图3抛石护坡路基
 
图4块石路基碎石护坡
 
 
图5通天河南岸阶地块石路基
 
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